JP5223408B2 - 光学シート及びバックライトユニット並びにディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に液晶表示素子を用いたディスプレイ用バックライトユニット（直下型）における照明光路の制御に使用される光学シート及び該光学シートを用いたバックライトユニット並びにディスプレイ装置に関する。

近年、液晶パネルを使用した液晶表示装置（ＬＣＤ）は、ＯＡ分野のノート型パーソナルコンピュータやパーソナルコンピュータ用ディスプレイ，情報端末機器などの画像表示手段，または大型画面テレビなどの情報家電の画像表示手段，さらには携帯電話や個人用携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistance）の画像表示手段として様々な分野で利用されてきている。

液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるディスプレイでは、提供される情報を認識するのに必要な光源を内蔵しているタイプの普及が著しい。
このような液晶表示装置は透過型であり、液晶パネルの背面側に光源を配設し、この光源からの光を面発光に変換して液晶パネルを照射する面光源装置、いわゆる、バックライトが採用されている。
バックライトの方式には、大別して冷陰極管（ＣＣＦＴ：Cold Cathode Fluorescent Tube）等の光源を光透過性に優れたアクリル樹脂等からなる平板状の導光板の側端部に沿って取付け、光源からの光を導光板内で多重反射させる導光板ライトガイド方式（エッジライト方式）と、導光板を用いず液晶パネルの背面に光源を配置した直下型方式とがある。

最近では、ノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末などに用いられる２０インチ以下の画面サイズの小型液晶表示装置には、低消費電力化が図れ、薄型化の容易なエッジライト方式の採用が主流となり、２０インチ以上の画面サイズの中〜大型液晶表示装置では直下型方式の採用が主流となっている。
また、ラップトップコンピュータのような電池式装置において、光源で消費する電力は、電池式装置全体で消費する電力の相当部分を占める。

従って、所定の輝度を提供するのに必要な総電力を低減することで電池寿命が増大するが、これは電池式装置には特に望ましいことである。
特に、２０インチ以上の液晶表示装置に対しては、より薄型で、視野角依存性が低く、高輝度、かつ低消費電力であることが求められており、液晶表示装置に搭載されるバックライトもその実現に対処することが要求されている。

複数本の冷陰極管を並列させた直下型方式バックライトでは、光源としての冷陰極管（ＣＣＦＴ）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などからの出射光は拡散板により拡散されるため、その発光した光源の形状が直接視認できてしまう。そのため、拡散板には非常に光散乱性の強い樹脂板が用いられている。この拡散板は、強い拡散性を持たせるために通常１ｍｍ〜３ｍｍ程度の厚さが必要であり、その厚さのために光吸収が少なからずあり、光源からの光量が減少し液晶画面表示が暗くなる問題がある。

米国３Ｍ社の登録商標である輝度強調フィルム（Brightness Enhancement Film：ＢＥＦ）が、この問題を解決する光学シートとして広く使用されている。
この種のＢＥＦは、図１に示すように、基材1上に、断面三角形状の単位プリズム２が一方向に一定のピッチで配列されたフィルムである。この単位プリズム２は光の波長に比較して大きいサイズ（ピッチ）である。
ＢＥＦは、“軸外（off-axis）”からの光を集光し、この光を視聴者に向けて“軸上（on-axis）”に方向転換（redirect）または“リサイクル（recycle）”する。

ディスプレイの使用時（観察時）に、ＢＥＦは、軸外輝度を低下させることによって軸上輝度を増大させる。ここで言う「軸上」とは、視聴者の視覚方向に一致する方向であり、一般的にはディスプレイ画面に対する法線方向（図１中に示す方向Ｆ）側である。
単位プリズム２の反復的アレイ構造が一方向のみの並列された光学シートでは、その並列方向での方向転換またはリサイクルのみが可能である。したがって、水平および垂直方向での表示光の輝度制御を行うためには、単位プリズム群の並列方向が互いに直交するように、２枚のシートを重ね合わせて用いられる。

ＢＥＦの採用により、ディスプレイ設計者が電力消費を低減しながら所望の軸上輝度を達成することができるようになった。ＢＥＦに代表されるプリズム２の反復的アレイ構造を有する輝度制御部材をディスプレイに採用する旨が開示されている（例えば特許文献１乃至３参照）。
特公平１−３７８０１号公報 特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報

上記のようなＢＥＦを輝度制御部材として用いた光学シートでは、図２に示すように、屈折作用ｘによって、光源３からの光Ｐが、最終的には、制御された角度φで出射されることによって、視聴者の視覚方向Ｆの光の強度を高めるように制御することができる。しかしながら、同時に反射／屈折作用による光成分が、視聴者の視覚方向Ｆに進むことなく横方向に無駄に出射されてしまう。
したがって、図１及び図２に示すようなＢＥＦを用いた光学シートから出射される光強度分布は、図３に示すように、角度が０°方向、すなわち視聴者の視覚方向Ｆにおける光強度が最も高められるものの、図中横軸に示す±５０°〜±９０°近辺の小さな光強度ピークとして現れる視聴者とは無関係な方向に失われる光（サイドローブ光）も増えてしまうという問題がある。さらに、ＢＥＦを用いた場合、サイドローブ光の強度が強いため、視野角による輝度の明暗が視認されてしまい、ディスプレイの表示品位低下につながり好ましくない。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、集光性が高く輝度分布のムラが少ない良好な表示品位の光学シート、およびその光学シートを用いたバックライトユニット並びにディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために請求項１の発明は、照明光路の制御に使用される光学シートであって、光透過性の基材と、前記基材の一方の面に二次元方向に一定のピッチで配列して形成された円錐形状または四角錐形状を呈する複数の単位レンズとを有するレンズシートを備え、前記円錐形状の単位レンズの表面または前記四角錐形状の単位レンズの表面は波型で形成され、前記単位レンズの円錐形状の表面を形成する波型または前記単位レンズの四角錐状の表面を形成する波型は、同軸上で周方向に連続して延在する構造になっていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の光学部材において、前記波型は複数の三角形状が接続されることで構成され、かつ、各三角形状の頂角が等しいことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２記載の光学シートにおいて、前記各三角形状の頂点を結ぶ直線上に任意の２点Ｐ、Ｑをとった時のＰＱ間の前記直線に対する前記基材の一方の面上での変位をΔx、ＰＱ間の前記基材の一方の面に対して垂直な方向の変位をΔyとし、傾斜率をΔy/Δxで定義すると、当該傾斜率の絶対値が０．４以上０．６以下であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１項記載の光学シートにおいて、前記基材の一方の面と反対の面に光拡散板が配設されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、バックライトユニットであって、光源と、請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学シートを少なくとも備えることを特徴とする。

請求項６の発明は、ディスプレイ装置であって、画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する画像表示素子と、前記画像表示素子の背面に、請求項５記載のバックライトユニットを備えることを特徴とする。

本発明によるディスプレイ用の光学シート及びこれを用いたバックライトユニット並びに表示装置によれば、レンズシートの単位レンズを四角錐形状または円錐形状を呈する複数の単位レンズから構成し、さらに、円錐形状の単位レンズの表面または四角錐状の単位レンズの表面は波型に形成され、かつ、その波型は、同軸上で周方向に連続して延在する構造にしたので、従来のプリズムシートでは無駄に失われていたサイドローブ光を有効利用でき、かつ集光性が高く輝度分布のムラが少ない良好で高品位な製品を提供できる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図４は、本発明にかかる光学シートを用いたバックライトユニットを具備する液晶ディスプレイ装置を模式的に示す概略断面図、図５は本発明にかかる光学シートを構成するレンズシートの一部を拡大して示す説明用断面図、図６は図５に示すレンズシートの斜視図であり、各部位の縮尺は実際とは一致しない。
図４に示す液晶ディスプレイ装置１０は、液晶パネル（特許請求の範囲に記載した画像表示素子に相当する）２０と、この液晶パネル２０の光入射側に臨ませて配置されたディスプレイ用のバックライトユニット３０を備える。
バックライトユニット３０は、光学シート４０と、この光学シート４０の光入射側に配置された直下型の光源５０を備える。
また、バックライトユニット３０は、直下型のバックライトに限らず、エッジライト型のバックライトであってもよい。

光学シート４０は、ディスプレイ用バックライトユニットの照明光路制御、すなわち光源５０から視認面側Ｆに出射される光を拡散させ、光源５０の輝度ムラを抑制するもので、図４〜図６に示すように、レンズシート４０１と光拡散板４０２を備える。
レンズシート４０１は、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなる光透過性の基材４０３と、この基材４０３の一方の面４０３ａに基材４０３と同一の材料からなる単位レンズ４０４を平面方向に一定のピッチで配列し形成することで構成される。

この実施の形態に示す単位レンズ４０４は、図４〜図６に示すように、三角プリズムレンズからなり、このプリズムレンズを基材４０３の一方の面４０３ａに一定のピッチで配列することでアレイ構造のレンズシート４０１が構成され、基材４０３を通して入射される光を集光する機能を有する。
また、三角プリズムレンズからなる単位レンズ４０４の互いに交差する山形の傾斜表面は、図５及び図６に示すように、それぞれ断面が均一な波型４０５に形成され、三角プリズムレンズの延在方向に直線状に延在している。すなわち、波型４０５は、単位レンズ４０４の延在方向と直交する単位レンズ４０４の幅方向に周期関数的に変化する複数の三角形状が接続されることで構成され、そして、各三角形状の頂角θは同一に形成されている。
光拡散板４０２は、光学シート４０の入射面から入射する光に適宜、視野角を付与するもので、基材４０３の一方の面４０３ａと反対の他方の面４０３ｂに対向して配設されている。

光源５０は、光学シート４０の光拡散板４０２側下面に沿って等間隔に配列され、白色光を出射する冷陰極線管などからなる複数のランプ５０１と、このランプ５０１から視認面側Ｆと反対方向に出射した光を視認面側Ｆへ光として反射させる反射板５０２を備えている。
したがって、光源５０から光学シート４０を通して出射される光を液晶パネル２０に向けて照射すれば、液晶パネル２０から画像信号によって表示制御された表示光を視認面側Ｆに向けて出射することで画像を表示する。
また、ランプ５０１は冷陰極線管に限らず、ＬＥＤまたはＥＬまたは半導体レーザーなどを使用でき、白色光を出射できるものであれば、どのような光源用ランプを採用してもよい。

次に、図７について説明する。
図７に示す三角プリズムレンズからなる単位レンズ４０４において、単位レンズ４０４の互いに交差する山形の表面に形成された波型４０５、すなわち三角形状の頂点４０５ａを結ぶ直線７１上に任意の２点Ｐ、Ｑをとった時のＰＱ間の直線７１に対する基材４０３の一方の面４０３ａ上での変位をΔx、ＰＱ間の基材４０３の一方の面４０３ａに対して垂直な方向の変位をΔyとし、傾斜率をΔy/Δxで定義すると、この傾斜率の絶対値が０．４以上０．６以下であることが望ましい。
このように複数の三角形状の頂点４０５ａを結ぶ直線７１上の任意の２点の傾斜率Δy/Δxが０．４以上０．６以下の範囲にあるとき、最も効果的にサイドローブ光を低減し、正面輝度を高めることができる。

図８は、本実施の形態におけるレンズシート４０１の１単位分の単位レンズ４０４の断面と光線の進行方向を示した説明図である。
図８において、光線Ｌ１、Ｌ２は、臨界角を超える角度で単位レンズ４０４の三角形状の斜面に入射する場合の光線と、その進行方向を示している。光線Ｌ１、Ｌ２は斜面Ａ１に対する入射角が異なり、（Ｌ２の入射角）＞（Ｌ１の入射角）とした場合を図示している。光線Ｌ２は斜面Ａ１で全反射した後斜面Ｂ１に入射する光線、光線Ｌ１は斜面Ｂ１に入射しない光線とした。
光線Ｌ２は、斜面Ａ１で全反射した後、斜面Ｂ１へ入射する。斜面Ｂ１で光線Ｌ２は一旦外部へと射出され、斜面Ｂ１と隣接する斜面Ａ２へ再入射する。光線Ｌ２は斜面Ｂ１と斜面Ａ２で二度屈折作用を受けるため、最終的にランプ側へと戻される。ランプ側へ戻された光線L2はランプ下の反射板によって反射され、再利用される。また、光線Ｌ１のような一部光線は、斜面Ｂ１に入射せずに、そのまま中心線Ｈを超えて反対側の斜面Ｂ２からサイドローブ光として外部へ失われる。

このように、単位レンズ４０４の互いに交差する山形の表面を三角形状の波型４０５に形成することにより、波型４０５の斜面で全反射した光の一部をランプ側へと戻し、再利用することができる。この結果、本光学シートを用いた場合、従来のプリズムシートを用いた場合と比べて高い正面輝度を得ることが可能になる。さらにサイドローブ光の発生が低減されるため、視野角による輝度ムラが減少し、ディスプレイの表示品位が改善される。

本発明の光学シートは、例えばダイヤモンドバイトのような精密切削用工具を利用して、金属製基板に型を形成し、ＵＶ成型法や型押法によりプリズム形状を賦形することにより作成できる。

レンズシートは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）等を用いて、当該技術分野では良く知られている熱可塑性樹脂を用いたプレス成形又は押し出し成形によって成形されたモノリシックな成形体である。または、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥ（ポリエチレン）等を基材として、その上に紫外線固化樹脂を配置する紫外線キュアリング成型法によって形成しても良い。

本発明における光学シート２０の単位レンズは、上記図５及び図６に示す三角プリズム構造のものに限定されない。
例えば、図９（ａ）に示すように、基材９１の一方の面に円錐形状を呈する複数の単位レンズ９２を二次元方向に一定のピッチで配列し形成する。そして、これら複数の単位レンズ９２の円錐状の表面を形成する波型９３は、同軸上で周方向に連続して延在する構造になっている。
また、図９（ｂ）に示すように、基材９５の一方の面に四角錐形状を呈する複数の単位レンズ９６を二次元方向に一定のピッチで配列し形成する。そして、これら複数の単位レンズ９６の四角錐状の表面を形成する波型９７は、同軸上で周方向に連続して延在する構造になっている。

次に、本発明の実施例について説明する。
この実施例では、単位レンズの表面を形成する波型が周期関数的に変化する三角形状の場合で光学シミュレーションを行った結果について述べる。
三角プリズムからなる単位レンズの三角形状の頂角θを全て９０°とし、三角形状のピッチを１５０μｍ、単位レンズの間隔Δｄを１０μｍに固定する。複数の三角形状の頂点を結ぶ直線の傾斜率をａとした時にaを変化させた時の輝度分布についてシミュレーションを行った。
輝度分布のシミュレーションを行った結果が図１０に示す。
この図１０では、複数の三角形状の頂点を結ぶ直線の傾斜率が、０．２、０．４、０．６、０．８、１.０の場合の配光分布を示している。a＝１.０は、単位レンズの表面が三角形状に形成されていない従来のプリズムシートと同等形状である。
図１０に示すグラフから明らかなように、単位レンズの表面が三角形状に形成されていることで、５０°から９０°の間に現れるサイドローブ光のピーク強度が減少し、従来のプリズムシートと比べて正面輝度が上昇していることが分かる。

図１１は、本発明の実施例における単位レンズの傾斜率と正面輝度の関係を示すグラフである。このグラフの正面輝度は、従来のプリズムシートの正面輝度に対する比として表している。シミュレーションの結果、正面輝度は傾斜率が０．５の時にピークを持つような上に凸の曲線となった。傾斜率が０．５の時、正面輝度は従来のプリズムシートと比べて約５％上昇した。

図１２は、本発明の実施例における単位レンズの傾斜率とサイドローブ光の強度の関係を示すグラフである（サイドローブ光の強度は、従来のプリズムシート（ＢＥＦ）に対する比として表している）。サイドローブ光の強度は傾斜率が０．５の時に極小値を持つような下に凸の曲線となった。これらの結果から、正面輝度とサイドローブ光の強度は対応関係にあり、正面輝度が最大となる点でサイドローブ光が最小となることが分かる。傾斜率が０．５の時、サイドローブ光の強度は従来のプリズムシートの約０．６倍に低減されている。

単位レンズ４０４の傾斜率aは小さすぎても大きすぎても不適切である。それは以下のように説明できる。
単位レンズ４０４の傾斜率aが小さい場合（図１３(a)）、斜面Ｂの面積が増加するため、斜面Ｂで全反射して外部へサイドローブ光として失われる光Ｌ３が増加する。一方、斜面Ａで全反射した光のうち、単位レンズの頂点近傍で全反射した光Ｌ４は、隣接する単位レンズ４０４に再入射することなくそのままサイドローブ光として失われてしまう。このように、傾斜率が小さい場合、外部へサイドローブ光として失われる光が増加し、正面輝度はあまり上昇しない。
単位レンズ４０４の傾斜率ａが大きい場合（図１３(c)）、斜面Ｂの面積が減少する。この時、斜面Ａで全反射した光Ｌ５の大部分は斜面Ｂに入射することなく、中心線を超えた反対側の斜面からサイドローブ光として外部へ失われてしまう。従って、この場合も外部へサイドローブ光として失われる光が多くなり、正面輝度はあまり上昇しない。

サイドローブ光をできるだけ多く再利用し、正面輝度を高めるためには、（１）単位レンズ４０４の斜面Ａで反射した光をできるだけ多く斜面Ｂに入射させること、（２）単位レンズ４０４の斜面Ｂで全反射して外部へ失われる光をできるだけ抑えること、が必要となる。どちらか一方を満たすだけでは所望の特性を得ることはできない。傾斜率を０．４〜０．６の範囲に設定すれば（図１３(ｂ)）、上記（１）と（２）の条件を両方とも満たすため、サイドローブ光を最も効率よく再利用することができる。その結果、正面輝度の上昇率が最も高くなる。傾斜率がこれらの範囲を外れると、上記（１）と（２）のどちらかの条件が満たされなくなるため、外部へサイドローブ光として失われてしまう光が増加し、正面輝度が低下する。

ＢＥＦの構成例を示す概略図。 ＢＥＦの光学作用を説明するための説明図。 ＢＥＦの配光分布の説明図（垂直方向）。 本発明にかかる光学シートを用いたバックライトユニットを具備する液晶ディスプレイ装置を模式的に示す概略断面図。 本発明にかかる光学シートを構成するレンズシートの一部を拡大して示す説明用断面図。 図５に示すレンズシートの斜視図。 本実施の形態における単位レンズの三角形状の頂点を結ぶ直線の傾斜率を説明するための図。 本実施の形態におけるレンズシートの１単位分の単位レンズの断面と光線の進行方向を示した説明図。 本発明にかかるレンズシートの他の実施例を示す概略図。 本実施の形態における単位レンズの傾斜率を変化させた時の輝度分布の変化を示す特性図。 本実施の形態における単位レンズの傾斜率と正面輝度の関係を示すグラフ。 本実施の形態における単位レンズの傾斜率とサイドローブ光のコントラストの関係を示すグラフ。 （ａ）は本実施の形態における単位レンズの傾斜率が小さい場合の光学シートの断面図、（ｂ）は本実施の形態における単位レンズの傾斜率が０．５に近い場合の光学シートの断面図、（ｃ）は本実施の形態における単位レンズの傾斜率が１に近い場合の光学シートの断面図。

符号の説明

１０……液晶ディスプレイ装置、２０……液晶パネル、３０……バックライトユニット、４０……光学シート、４０１……レンズシート、４０２……光拡散板、４０３……基材、４０４……単位レンズ、４０５……波型、５０……光源、５０１……ランプ、５０２……反射板、９１……基材、９２……単位レンズ、９３……波型、９５……基材、９６……単位レンズ、９７……波型。

Claims (6)

1. 照明光路の制御に使用される光学シートであって、
   光透過性の基材と、前記基材の一方の面に二次元方向に一定のピッチで配列して形成された円錐形状または四角錐形状を呈する複数の単位レンズとを有するレンズシートを備え、
   前記円錐形状の単位レンズの表面または前記四角錐形状の単位レンズの表面は波型で形成され、
   前記単位レンズの円錐形状の表面を形成する波型または前記単位レンズの四角錐状の表面を形成する波型は、同軸上で周方向に連続して延在する構造になっている、
   ことを特徴とする光学シート。
2. 前記波型は複数の三角形状が接続されることで構成され、かつ、各三角形状の頂角が等しいことを特徴とする請求項１記載の光学シート。
3. 前記各三角形状の頂点を結ぶ直線上に任意の２点Ｐ、Ｑをとった時のＰＱ間の前記直線に対する前記基材の一方の面上での変位をΔx、ＰＱ間の前記基材の一方の面に対して垂直な方向の変位をΔyとし、傾斜率をΔy/Δxで定義すると、当該傾斜率の絶対値が０．４以上０．６以下であることを特徴とする請求項２記載の光学シート。
4. 前記基材の一方の面と反対の面に光拡散板が配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の光学シート。
5. 光源と、請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学シートを少なくとも備える、
   ことを特徴とするバックライトユニット。
6. 画素単位での透過／遮光に応じて表示画像を規定する画像表示素子と、
   前記画像表示素子の背面に、請求項５記載のバックライトユニットを備える、
   ことを特徴とするディスプレイ装置。

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